Spektrianalysaattori

Question: Mihin signaalin taajuusjakaumaa tarvitaan?



Spektrianalysaattori on elektroniikan mittalaite, jolla voidaan mitata 
signaalin spektri eli signaalin taajuusjakauma. Mitattu spektri esitetään graafisesti laitteen näytöllä - yleensä niin, että vaaka-akselilla on taajuus ja pystyakselilla on taajuutta vastaava amplitudi esitettynä logaritmisella desibeliasteikolla.
Spektrianalyysiin liittyy oleellisesti mittausajan ja resoluution välinen epätarkkuusperiaate: mitä suuremmalla taajuusresoluutiolla spektri mitataan sitä pitempi mittausaika tarvitaan.
Spektrianalysaattori voi sisäiseltä toiminnaltaan olla joko digitaalinen FFT-spektrianalysaattori, analoginen pyyhkäisevä spektrianalysaattori tai näiden yhdistelmä.
FFT-spektrianalysaattori
FFT-spektrianalysaattorissa analoginen signaali muutetaan digitaaliseen muotoon ottamalla signaalista tasaisin välein näytteitä, jotka mitataan analogi-digitaalimuuntimella ja talletetaan peräkkäin analysaattorin muistiin digitaaliseksi signaaliksi eli näytevektoriksi. Signaalin spektri saadaan laskemalla näytevektorin Fourier'n muunnos FFT:n avulla. Tuloksen amplitudi esitetään graafisesti taajuuden funktiona.
FFT-spektrianalysaattorin kaistaleveys riippuu suurimmasta näytteenottotaajuudesta. Se soveltuu erityisesti audiotaajuuksien ja matalien radiotaajuuksien analysointiin: maksiminäytteenottotaajuus rajoittaa suurimman mitattavan kaistaleveyden, mutta toisaalta mittaus on tehokas, sillä Fourier-muunnoksen avulla koko spektri saadaan mitatuksi yhdestä näytevektorista. Taajuusresoluutio on vektorin mittausajan käänteisarvo. Toisin sanoen 1 sekunnin mittauksella saavutetaan periaatteessa 1 Hz resoluutio koko mittauskaistalla.
Harrastekäytössä tavallisesta PC:stä, jossa on äänikortti, voi sopivan ohjelman avulla rakentaa yksinkertaisen audiotaajuuksien spektrianalysaattorin havaintotarkoituksiin.
Pyyhkäisevä spektrianalysaattori
Taajuuspyyhkäisyyn perustuvassa analysaattorissa on muuttuvataajuuksinen radiovastaanotin, jonka vastaanottotaajuutta siirretään sopivalla nopeudella niin, että se kattaa mitattavan taajuuskaistan. Vastaanotetun signaalin amplitudi kertoo suoraan spektrin voimakkuuden taajuuden funktiona. Koska pyyhkäisevässä mittauksessa mitataan vain "yhtä taajuutta" kerrallaan kunkin spektripisteen mittaamiseen tarvitaan periaatteessa yhtä pitkä aika kuin missä FFT analysaattorilla voidaan mitata koko spektri samalla resoluutiolla. Pidemmästä mittausajasta ei kuitenkaan ole suurta haittaa radiotaajuusmittauksissa, jos ei pyritä kovin suureen resoluutioon vaan halutaan mitata spektri laajalta kaistalta.
FFT:n ja pyyhkäisevän mittauksen yhdistävä spektrianalysaattori
FFT-analysaattorin ja pyyhkäisevän spektrianalysaattorin edut voidaan yhdistää laitteessa, jossa suuritaajuisen signaalin kapeaa osakaistaa mitattaessa tutkittava osa radiospektristä 
sekoitetaan ensin alemmalle taajuudelle, jossa se pystytään digitoimaan ja voidaan hyödyntää FFT-analyysiä, kun taas laajempaa kaistaa mitattaessa käytetään taajuuspyyhkäisyä. Nykyaikaisissa spektrianalysaattoreissa voi olla myös käytössä täysdigitaalinen välitaajuusaste jolloin käytetään FFT analyysiä yhdessä nopeasti hyppivän taajuuspyyhkäisyn kanssa jolloin taajuusasteikolla signaali muodostetaan kapeammista tai leveämmistä FFT analyysiin perustuvista lohkoista. Myös välitaajuudella tapahtuva erotus suodatus voidaan muodostaa digitaalisen signaalikäsittelyn keinoin. Se mahdollistaa erittäin monipuoliset suodatinvalikoimat. FFT käsittely myös nopeuttaa taajuuspyyhkäisyä olennaisesti. Erityisesti se näkyy kapeilla erotus suodattimilla signaalia tarkasteltaessa.  
Spektrianalysaattorin laatuun vaikuttavia tekijöitä
Spektrianalysaattorin laatu ja hinta riippuvat käytettävien signaalinkäsittelyosien laadusta. Kaikissa signaalimittauksissa tärkeitä ovat tulovahvistimen herkkyys-, lineaarisuus ja kohinaominaisuudet sekä suodattimien laatu. FFT-analyysissa kriittisiä ominaisuuksia ovat lisäksi analogia-digitaalimuuntimen laatu ja mittauksissa käytetyt signaalinkäsittelymenetelmät. Pyyhkäisevän radiotaajuusanalysaattorin tapauksessa vastaanottimen paikallisoskillaattorin ominaisuudet korostuvat.
Tulovaimennin vaikuttaa spektrianalysaattorin herkkyyteen. Tulovaimennin on yleensä ensimmäinen komponentti spektrianalysaattorin etupäässä. Tulovaimentimen jälkeinen sekoitusaste ei siedä tyypillisesti tasajännitettä jonka johdosta tasajännitteen pääsy tulovaimentimelle tyypillisesti estetään jo ennen tulovaimenninta. Tulovaimentimen  on oltava säädettvä, sillä analysaattorin ominaisuudet ovat riippuvaisia ensimmäisen sekoitusasteen tehotasosta. Kaikki analysaattorit eivät salli tulovaimentimen ohittamista. Mikäli tulovaimennin ohitetaan, tulon heijastusvaimennus määrätytyy ensimmäisen sekoittimen sovituksen mukaan. Tulovaimentimen tehonkesto on oltava mitoitettu analysaattorin käytön mukaan.  Tyypillisesti tulovaimennusta voidaan säätää 1, 5 tai 10 dB portain. Tulovaimenninta seuraa ensimmäinen sekoitusaste josta sekoitustulos jatkaa ensimmäiselle välitaajuusasteelle. 
Erotussuodatus, erotuskaistanleveys, RBW, kertoo minkälaisen suodattimen lävitse haluttua taajuusikkunaa tarkastellaan ja se vaikuttaa spektrianalysaattorin herkkyyteen. Taajuusikkunan ja erotuskaistanleveyden kytkeminen toisiinsa on käytännöllistä, sillä spektrianalysaattorin näyttö pysyy optimaalisena kulloiseenkin mittaustarpeeseen.
Spektrianalysaattorin erotuskyvyllä eli resoluutiolla tarkoitetaan analysaattorin kykyä erottaa kaksi toisiaan lähellä olevaa signaalia. Mikäli signaalit ovat samantasoisia, niin ainoa erottelykykyyn vaikuttava tekijä on analysaattorin välitaajuussuodattimen  leveys ja muoto (usein suodattimen muoto on Gauss tyyppinen). Samankokoisten signaalien erottamisessa voidaan olettaa, että mikäli signaalit ovat kauempana toisistaan kuin välitaajuussuodattimen 3 dB;n kaistanlevys, ne voidaan erottaa toisistaan. 
Spektrianalysaattori  sisältää yleensä useita ilmaisintyyppejä: keskiarvoilmaisin (average detector), huippuarvoilmaisin (peak detector), "vuotava" huippuarvoilmaisin (quasipeak detector). Ilmaisun jälkeen mittaustulosta yleensä suodatetaan videosuodattimella (alipäästösuodatin), jolla näytöllä näkyvää signaalia tasoitetaan. Videosuodatuksen ansiosta kohinataso tippuu, mutta signaalin ilmaisu sekä taajuuspyyhkäisy hidastuu. Toisaalta reaaliaikainen videokeskiarvoistus on toinen tapa pienentää kohinan näkymistä analysaattorin näytöllä.
Pyyhkäisyaika on suoraan verrannollinen taajuusikkunan leveyteen ja kääntäen verrannollinen välitaajuus- ja videosuodattimien leveyden tuloon. Mikäli videosuodatin on leveämpi kuin välitaajuussuodatin niin näiden tulon asemasta käytetään videosuodattimen neliötä. 
Spektrianalysaattorin dynamiikka määrittelee dB:ssä suurimman tasoneron kahden signaalin välille, jotka voidaan vielä mitata yhdellä pyyhkäisyllä siten, että asetetut tarkkuusvaatimukset täyttyvät. Dynamiikkaan vaikuttavat säröytyminen (ensimmäinen välitaajuusasteen sekoitin), vaihekohina ja spektrianalysaattorin herkkyys. Dynamiikka on riippuvainen halutusta mittaustarkkuudesta. Mitä vähemmän virhettä mittaustulokseen tarvitaan, sitä vähemmän dynaamista aluetta on käytettävissä. Vaihekohinan johdosta käytettävissä oleva dynamiikka-alue riippuu myös usein merkittävässä määrin mitattavien signaalien  taajuuserosta.
Teknisiä tietoja
Pyyhkäisevä spektrianalysaattori
Signaalivoimakkuuden mittayksikkö on tavallisesti dBm. Tyypillinen käytännön mittausepätarkkuus on +-0,5...2 dB.
Käytännön analysaattorissa on joukko hienouksia kuten esimerkiksi spektrianalysaattorin taajuuspyyhkäisyä seuraava signaaligeneraattori (tracking generator). Spektrianalysaattori - tracking generaattori yhdistelmälla on mahdollista toteuttaa skalaari piirianalysaattori. Sitä voi käyttää heijastusvaimennus- sekä suodattimien taajusvasteiden mittaukseen.
Analysaattori on varsin kallis, joten spektrianalysaattoria ei aina löydy radiolaitehuoltoliikkeistä, mutta toiminto voi löytyä ominaisuuksiltaan rajoitettuneenpana esimerkiksi RF-mittapaikasta tai antennianalysaatorista. Nykyinen tekniikka mahdollistaa myös kohtalaisen edullisten ja erittäin suorituskykyisten spektrianalysaattoreiden valmistuksen. Sellaiset voivat helposti ylittää moninkertaisesti sen suorituskyvyn johon aikaisemmin kykenivät vain hyvin kalliit spektrianalysaattorit.  Korkealaatuiset edullisimmatkin spektrianalysaattorit saattavat kyetä alle -160dBm/Hz kohinatasoon ja taajuuserottelun suodattimien (RBW) leveys voi helposti olla kapeimmillaan luokkaa 1Hz - 10Hz ja jopa sen alle. Samoin suodattimien muotosuhde  -3dB / -60dB saattaa olla helposti alle 1:5. Vaikka niissä käytetään suhteellisen edullisia ratkaisuja pyyhkäisevän paikallis oskillaattorin osalta saatetaan helposti alittaa -95dBc vaihekohinataso 1kHz etäisyydellä. Moderneilla edullisemmillkin laitteilla saatetaan kyetä yli 100dB tasoerojen mittaamiseen yhdellä pyyhkäisyllä. Näissä on usein myös hyvin monipuolisia automaattisia tai puoliautomaattisia mittaustoimintoja.  
Laitteen hinnasta riippuen sekoitusasteessa käytetään joko yksinkertaista jännitesäätöistä paikallisoskillaattoria kaikkein halvimmissa alimman mahdollisen luokan laitteissa  jopa ilman vaihelukitusta tai taajuussynteesin perustuvaa vaihelukittua oskillaattoria tai YIG tyyppistä oskillaattoria johon pohjautuva järjestelmä luonnollisesti voidaan vaihelukita.  
Yli 5GHz:n taajuuksia mitatessa sekoittajassa käytetään paikallisoskillaattorin perustaajuuden sijasta sen harmoonista kerrannaista. Sisääntulossa on jänniteviritteiset YIG-suotimet. Myös paikallisoskillaattori on tällöin yleensä ns. YIG-oskillattori, jolla voidaan saavuttaa alhainen vaihekohina yhdessä nopean lineaarisen pyyhkäisyn kanssa. Kuitenkin, nykyaikaisissa nopeaan hyppivään pyyhkäisyyn perustuvissa täysdigitaalisella välitaajuusasteella varustetuissa spektrianalysaattoreissa yhä useammin oskillaattori on taajuussynteesiin perustuva. 
20GHz...400GHz alue voidaan mitata käyttämällä erillistä ulkoista harmonista sekoittajaa, jolle syötetään analysaattorista saatava injektiosignaali referenssiksi.

Luokka:Mittalaitteet
Luokka:Elektroniikka